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频率选择性衰落信道GMSK误码性能分析.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.27M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    2 2 Ξ 第 15 卷　第 1 期 2000 年 3 月 　　 　　　　　　 电　波　科　学　学　报 CH INESE JOURNAL OF RAD IO SC IENCE　　　　　　　 　V o l. 15, N o. 1 M arch, 2000 　　文章编号: 1005 0388 (2000) 01 0001 06 频率选择性衰落信道 GM SK 误码 性能分析 滕　旭, 张林昌, 蒋忠涌 (北方交通大学抗电磁干扰研究中心, 北京 100044) 摘要: 通过对数字移动信道脉冲响应时延展宽包络 (PD SP ) 波形的研究, 分析了 GM SK 调制下的脉冲时延展宽包络与误码率之间的变化关系, 建立了两者之间关系 的理论模型和计算机仿真模型, 同时给出了在四种较为典型的 PD SP 作用下, GM SK 误码率特性的计算机仿真结果。 关键词: 数字移动通信; 脉冲时延展宽; 误码率; 计算机仿真 中图分类号: TN 929. 5　　　　文献标识码: A Ana lysis and sim ula tion of b it error performance for GM SK in frequency- selective fad ing channel TENG Xu, ZHANG L in -chang, J IANG Zhong-yong (EM C R esea rch S ection, N orthen J iaotong U n iv ersity , B eij ing 100044, C h ina) Abstract: In th is p ap er, the p u lse delay sp read p rofile (PD SP ) of digital m ob ile comm un ication is studied. T he relation betw een PD SP and b it erro r rates on GM SK m odu lation is analyzed, and the m odels of theo ry and com p u ter sim u lation fo r b it erro r rates p erfo rm ance of GM SK are found ou t w ith affectation of fou r typ ical k inds of PD SP. Key words: D igital m ob ile comm un ication; Pu lse delay sp read; B it erro r rates; Com p u ter sim u lation 1　引言 陆地数字移动通信信号在传播的过程中会遇到 各种各样的传播障碍物, 如建筑物、树木、植被以及 起伏的地域等, 会引起信号能量的多路径传播效应, 由于各路径信号到达接收天线所用的时间不同, 相 位也就不同, 因而接收信号便出现了频率选择性衰 落脉冲时延展宽的现象, 这是陆地移动通信的主要 特征。 由多路径传播引起的脉冲时延及脉冲时延展 宽是数字移动通信系统传输质量下降的主要原因。 由脉冲时延展宽 (传输系统的一次参数) 引起的传输 误码率 (传输系统的二次参数—B ER ) 称之为“残留 误码率”或“误码率基底”[ 1～ 3 ], 这种误码率不能简单 的用提高发送功率的方法来降低。由于一、二次参数 之间的关系是非常复杂的, 它取决于信道脉冲响应 模型和传输系统的调制解调制式。 一定调制系统的 二次参数是与一定大小的带内一次参数相对应的, 只要能确定一次参数的统计特性, 就可准确预测系 统的二次参数。 本文通过对实测的信道脉冲响应时延展宽包络 (Pu lse D elay Sp read P rofile—PD SP ) [ 1 ]波形进行研 究, 分析了 GM SK (高斯滤波最小移频键控) 调制下 的一、二次参数之间的变化关系, 建立了 GM SK 的 一、二次参数之间关系的理论模型, 给出了 GM SK 的多路径传播计算机仿真模型, 并就几种典型的 PD SP 波形作用下, 仿真分析了 GM SK 的 B ER 特 性。此结果对 GSM 移动通信传输系统性能的分析、 预测和设计提供了有价值的参考, 它对系统性能分 析、预测和设计有着现实的指导意义。 收稿日期: 1999 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 06 15
    Ξ < 2 2　信道模型 Η ∃< Ξ Η < < Η Ù Π 　　　　　　　　　电　波　科　学　学　报　　　　　　　　　　 第 15 卷 图 1 中, 给出了N 条路径信道仿真模型。 调制 后的信号通过 N 条散射传播路径和一条直通路径 (模拟强传播路径) 到达接收端。 每条散射路径由两 部分组成, 分别是路径时延仿真器和路径传播损耗 仿真器。因为路径数量不可能是无穷大, 所以在仿真 计算过程中, 路径数限制为N + 1= 10+ 1。 时延路 径和直通路径相互合并以后的信号就作为到达接收 端的多路径传播的合成信号, i 为第 i 条路径信号 的传输时延, 是随机变量。由于这里主要研究数字信 号多路径传播时延及时延展宽特性, 所以 i 的分布 密度可根据需要选择模拟各种分布, 以达到不同的 仿真目的的要求。 图 1　多路径传播B ER 性能仿真模型 3　收信模型 图 2 给出了 GM SK 的解调模型, IF 滤波器的 输出信号为: S IF ( t) = 2P ′ sa ( t) co s[ 0 t + ( t) ] + n ( t) (1) 2P ′ sa ( t) 为 IF 滤波器输出信号时变幅度包 式中, 络, P ′ s 为接收信号功率, n ( t) 为低通型 Gau ssion 噪 声, 考虑到同相分量 n I ( t) 和垂直分量 nQ ( t) , IF 滤波 器最终的输出信号为: A ( t) = [ 2P ′ sa ( t) + n I ( t) ]2 + [ nQ ( t) ]2 ( t) = - arctan nQ ( t) 2P ′sa ( t) + n I ( t) (3) (4) 差分器的输出信号是 S IF ( t) 时延 1 比特时间 T b、相 移 90°后再与自身的乘积, 见图 2, 差分器输出信号 可表示为: s ( t) = A ( t)A ( t - T b) co s[ 0 t + 0 ( t - T b) + ( t) ( t - T b) + + ( t) ]sin [ ( t - T b) ] (5) 整形低通滤波器可滤除掉 (5) 式中的二次谐波。 因 此, 取样判决器的输入信号为: 图 2　GM SK 解调模型 S IF ( t) = A ( t) co s[ 式中, 0 t + ( t) + ( t) ] (2) S L P F ( t) = 1 2 A ( t)A ( t - T b) sin [ 0T b + (T b) ] (6) 式中, (T b) = ( t) - ( t - T b) + ( t) - ( t - T b) (7) 表示在 1 比特脉冲持续时间内, 由于信号多路径传 播畸变和噪声的干扰, 使信号相位产生的失真。 当 T b (f 0 为载波频 0T b= 2 k (k 为整数) 时, 则 f 0= k © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    Η Η Σ Σ Σ Σ Σ Σ Π Ù 第 1 期　　　　　　　　滕旭等: 频率选择性衰落信道 GM SK 误码性能分析 3 率) , (6) 式可简化为: 1 2 A ( t)A ( t - T b) sin [ 　　 S L P F ( t) = 取样判决器的判决准则是, 当 为数字“1”; 当 (T b) < 0 时, 判决为数字“0”。 (T b) ] (8) (T b) > 0 时, 判决 4　误码率计算 根据 (8) 式的差分解调判决准则, 可得出在接收 端的输出信号出现差错误码为: (1) 当发送数字“1”时, 则 sin [ (2) 当发送数字“0”时, 则 sin [ 用数学公式描述其误码率为: (T b) ]< 0 T b) ]> 0 1 2 P {sin [ 1 2 P {sin [ B ER = (T b) ] < 0 发送“1”} (T b) ] > 0 发送“0”} (9) + 式中 P {. . }表示条件概率。 在计算 (9) 式的误码率 时, 需要考虑前后码元脉冲波形的时延展宽的影响。 当发送端没有 Gau ssion 整形滤波器 (M SK 调制方 式) 时, 可以证明[ 6 ], 此时计算 (9) 式时, 只要考虑前 后相邻 1 码元对B ER 的贡献就可以了。 但是, 对于 GM SK 调制方式, 由于发送端的 Gau ssion 整形滤 波器会带来附加的码元脉冲时延展宽, 产生附加的 符号间干扰 ( IS I)。当接收端 Gau ssion 滤波器的 3dB 带宽与码元宽度的乘积 B GT b ≥0. 75 和发送端的 B GT b≥0. 3 时, 计算 (9) 式只要考虑相邻两侧 2 个码 元脉冲的贡献就足够了[ 4 ]。 (9) 式的最后结果为: B ER = P { 发送“1”} ≤ - co s ) co s ) ] d (10) = 2 - 2 (T b) ≤ 2 ∫ exp [ - ( 2 ( - 0 (10) 式中的参数为: D - W G co s[ 1 - W 2 G 2sin 2 [ = = 2 - (T b) ] (T b) ] 1 - W 2 B 2 GR T 2 b) 式中, W = exp (- E b D = G = 2N 0B GR T b E b 2N 0B GR T b ∞ [ a 2 ( t) + a 2 ( t - T b) ] [ a 2 ( t) - a 2 ( t - T b) ] (11) (12) (13) (14) 冲响应, G (t) 为由 (4) 式给出的信号相位。 5　计算机仿真结果 大量的实际测量结果[ 1 ] [ 7 ]表明, PD SP 随着测量 环境的不同而发生变化, 回波峰的幅度和密度也随 之改变, 例如, 山区[ 8 ]、市郊或郊区[ 9 ] 的 PD SP 比市 区[ 1 ]的 PD SP 要变窄许多, 其主要原因是, 在城市的 市区中, 发送和接收之间信号的直线传播路径被许 多高层建筑物阻挡, 信号多路径传播效应的现象较 为突出。 为了研究一次参数对二次参数特性的影响, 下 面给出四种较为典型情况的计算机仿真分析结果。 5. 1　主波峰宽度变化的影响 根据文献[ 1 ]的实测结果, 取其中测量段A 中 典型的 PD SP 波形, 在仿真模型中用三角形来代替 实际测量的 PD SP 波形, 如图 3 所示。PD SP 宽度变 化范围为比特宽度的 10% , 20% , 40% , 60% , 80%。 图 3　PD SP 三角形近似等效 图 4 给出了计算机仿真结果。从图 4 中可看出, 脉冲时延展宽值为比特宽度的 40% 以下时,B ER 随 N 0 的增加变化较为明显, 这说明系统的传输误 E b 码率主要受信噪比的控制, 信噪比增加误码率减少, 反之信噪比减少误码率则增加。 当脉冲时延展宽值 为比特宽度的 60% 以上时, B ER 随 E b N 0 的增加 变化不明显, 说明脉冲时延展宽对传输误码率的控 制增强, 这时不管怎样增加发送功率 (增加发送信噪 比) , 误码率不会有明显的减小, 这就是所谓的“残留 误码率”, 也称为“误码率基底”。总之 PD SP 越宽, 对 B ER 的影响越大; 反之 PD SP 越窄, 对 B ER 的影响 就越小。 5. 2　回波峰位置变化的影响 hR ( t - a ( t) = ∫ + ∫ - ∞ ∞ - ∞ hR ( t - ) co s[ G ( ) ]d 2 ) sin [ G ( ) ]d 2 1 2 (15) 式中, hR ( t) 为 Gau ssion 整形接收滤波器的矩形脉 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    Ù 　　　　　　　　　电　波　科　学　学　报　　　　　　　　　　 第 15 卷 4 图 4　信噪比变化与 B ER 关系计算机仿真 图 6　回波峰位置变化与 B ER 关系仿真结果 图 5 给出了 PD SP 波形, 它模拟了由附近传播 障碍物反射引起的大反射峰在主波 PD SP 中随机出 现的情况。 在仿真过程中, 反射峰由位置 0 向位置 图 7　主峰波相邻的小回波峰群 图 5　回波峰位置变化 1, 2, 3, 4 移动, 位置 1, 2 代表较近距离的反射物产 生的反射峰, 位置 3, 4 代表相对较远距离的反射物 产生的反射峰。 图 6 绘出了对 GM SK 的仿真结果。 从图 6 中可看出, 当反射峰距离主波 PD SP 越远时, B ER 有增加的趋势。 E b N 0 的值越大, B ER 增加的 越明显。 较远距离反射物产生的回波峰比较近距离 反射物产生的回波峰对B ER 的影响较为严重, 因而 B ER 有较明显的增加。 5. 3　小回波峰群幅度变化的影响 图 7 中示出了与 PD SP 主峰波相邻的一些小回 波峰群。 这些小回波峰群是在接收端周围一定距离 远处的反射物群对信号产生的反射回波迭加而形成 的, 反射物群的疏密程度决定了小回波峰群密度的 大小, 反射衰减决定了小回波群的幅度大小。图 8 给 出了 GM SK 在小回波峰群影响下的误码率的仿真 结果。从图 8 中可看出随着小回波峰群幅度的增加, GM SK 的B ER 有增加的趋势, E b N 0 越大, B ER 增 图 8　小回波峰群影响下的 B ER 仿真结果 加的趋势越明显。 小回波峰群能使脉冲时域波形展 宽, 引起脉冲符号之间的相互重叠干扰, 从而导致传 输系统的误码率增高。 5. 4　主波峰与回波峰之间距离变化的影响 图 9 给出了 PD SP 波形图。在仿真过程中, 回波 峰由左向右移动。 这种情况模拟了移动台在满足接 收信噪比的环境中移动的情况, 回波峰由传播障碍 物产生。 图 10 给出了对 GM SK 的仿真结果。 由图 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    2 第 1 期　　　　　　　　滕旭等: 频率选择性衰落信道 GM SK 误码性能分析 5 10 中可见, E b N 0 越大, B ER 越小, 同时 B ER 出现 了波动变化。这种现象可以这样来理解, 当回波峰距 离主波峰较远时, B ER 增加, 当回波峰进入主波峰 的包络中时,B ER 变小。 图 9　主波峰与回波峰之间距离变化 图 10　主—回波峰之间距离变化 影响的 B ER 仿真 由以上四种情况的仿真结果可看出, 多路径传 播的路径数量是决定信道传输质量的重要参数之 一, 它影响着脉冲时延展宽的程度。由传播障碍物产 生的反射回波峰的强弱取决于信号多路径传播能量 衰减与传播时延的乘积, 乘积越小, 反射回波对传输 误码率的影响越大, 乘积越大, 反射回波对传输误码 率的影响越小; 反射物的体积越小, 对传输误码率的 影响也就越小。 由于反射回波到达接收端的时延是 随机变化的, 这就造成了接收脉冲时延展宽随机抖 动, 误码率出现了波动变化。 6　结论 本文对 GM SK 调制在几种不同的脉冲时延展 宽包络 (PD SP ) 作用下的传输误码率特性进行了计 算机仿真分析。 建立了多路径传播信道计算机仿真 模型与 GM SK 调制与解调计算机仿真模型。在实际 测量结果[ 1 ]基础上, 结合计算机仿真模型进行了数 字脉冲时延及时延展宽对 GM SK 传输误码率性能 影响的计算机仿真分析, 给出了在四种 PD SP 波形 作用下的 GM SK 的误码率性能的仿真结果, 并对 GM SK 的 误 码 率 性 能 进 行 了 仿 真 比 较, 给 出 了 PD SP 主要特性对误码率性能产生影响的主要原 因。 参考文献 [ 1 ]　张林昌, 潭振辉, 李承恕, 蒋忠涌等. 数字移动通信电波 传播实测与研究报告.“八五”国家重点科技攻关项目 [R ]. 北京: 北方交通大学, 1996. [ 2 ] 　D. Parson s. T he M ob ile R adio P ropagation Channel [M ]. L ondon: Pen tech. 1992. [ 3 ]　Eu ropean D igital Cellu lar T elecomm un ication s System (Phase 1) [ J ]. R adio T ran sm ission and R ecep tion. 1992, 3. 1. 0 ( ET S I PT 12 ) : GSM R ecomm endation 05. 05 DCS. [ 4 ]　郭梯云, 杨家玮, 李建东. 数字移动通信[M ]. 人民邮电 出版社 1995. [ 5 ]　S. Y. Seidel, T. S. R appapo rt, S. Jain,M. L. L o rd, R. scattering, and m u ltipath delay Singh. Path lo ss, statistics in fou r Eu ropean cites fo r digital cellu lar and m icrocellu lar radio telephone [J ]. IEEE T ran s. V eh. T echno l. , 1991, 40: 721～ 730. [ 6 ] 　M. K. Sim on and C. C. W ang. D ifferen tial versu s discrim inato r delection of narrow band FM 31: 1227 IEEE T ran s. Comm un. , 1983, COM lim iter [ J ]. ～ 1234. [ 7 ] 　 J. G. P roak is. D igital Comm un ication [M ]. N ew Yo rk:M cGraw H ill, 1989. [ 8 ]　A. Zogg. M u ltipath delay sp read in a h illy region [J ]. 36 (4) : 184～ IEEE T ran s. V eh. T echno l. , 1987, V T 187 [ 9 ]　D. C. Cox. D elay Dopp ler characteristics of m u ltipath 910M H z subu rban m ob ile IEEE T ran s. A n tennas P ropagat. , in at p ropagation environm en t [J ]. 1972,A P 20: 625～ 635. 　　滕旭　 (1951 ) , 男, 黑龙江 哈尔滨人, 博士生, 北方交通大学 抗电磁干扰研究中心, 从事数字 电波传播及 EM C 研究。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    6 　　　　　　　　　电　波　科　学　学　报　　　　　　　　　　 第 15 卷 　　张林昌　 (1932 ) , 男, 天津 人, 教授, 博士生导师, 北方交通 大学抗电磁干扰研究中心主任, 中国电子学会会士 IEEE Sen io r M em ber, 中国电工技术学会副 理事长, 兼电磁兼容专业委员会 副主任, 享受国家特殊津贴, 研究 方向为电磁兼容测量, 电气化铁道无线电干扰, 强场 源的场分布, 电力电子电路电磁兼容性。 　　蒋忠涌　 (1938 ) , 男, 江苏 苏州人, 教授, 北方交通大学抗电 磁干扰研究中心, IEEE M em ber 中国电子学会高级会员, 兼任中 国电工技术学会电磁兼容专委会 副秘书长现从事电化铁道无线电 干扰, 电波传播, 电磁环境等方面 的教学与研究工作。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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